一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統及方法與流程
1.本發明涉及核反應堆系統設計技術領域，具體涉及一種船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統及方法，尤其涉及一種基于集中海水冷卻的船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統。
背景技術：
2.船用核動力裝置正常或事故停堆后，由于緩發中子裂變以及裂變產物、中子俘獲產物衰變等原因，停堆后的相當長時間內堆芯仍會產生大量剩余釋熱(簡稱余熱)。任何情況下，都要求船用核動力裝置能夠安全可靠地導出堆芯余熱，并按一定速率降低反應堆及一回路系統溫度、壓力，確保堆芯時刻處于熱工安全準則范圍。余熱排出功能對裝置核安全至關重要，要求余熱排出系統具備高安全可靠性。當前，船用核動力裝置主要采用一回路能動余熱排出系統的配置方案。一回路能動余熱排出系統除了因依靠能動設備而存在故障失效和人因失效等風險，還存在因與一回路主管道形成閉式連接而增加了核動力裝置發生管道破口和冷卻劑喪失的概率，即增加了放射性物質釋放的風險。本發明基于新型集成二回路系統技術特征，利用船用核動力裝置停堆后余熱導出功能與運行時二回路設備冷卻功能在時間序列上不重疊的特點，提出一種基于集中海水冷卻的船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統。
技術實現要素：
3.本發明所要解決的技術問題是：現有船用核動力裝置主要采用的一回路能動余熱排出系統，因其與一回路主管道形成閉式連接而增加了核動力裝置發生管道破口和冷卻劑喪失的概率，即增加了放射性物質釋放的風險。本發明提供了有效改善上述問題的一種船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統及方法：在船用動力裝置正常或事故停堆后，通過構建蒸汽發生器二次側與集中海水冷卻系統的能動余熱排出系統，將堆芯余熱導出至最終熱阱海水中，有效實現堆芯的長期冷卻。該新構建的二回路能動余熱排出系統一方面集成共用已有設備(即直接利用已有的集中換熱器、無需新增換熱器)，有利于減少船用核動力裝置的體積和重量；另一方面也進一步拓展了余熱排出系統配置的多重性、多樣性，達到了進一步提升船用核動力裝置余熱排出功能的安全可靠性。
4.本發明通過下述技術方案實現：
5.一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統，包括二回路系統的一部分蒸汽管線和給水管線、海水冷卻回路、集中換熱器，集中換熱器用于承擔二回路蒸汽冷卻功能；還包括蒸汽接管和凝水接管，蒸汽接管的輸入端接入二回路系統的蒸汽管線、輸出端接入集中換熱器內管側的輸入端，所述凝水接管的輸入端接入集中換熱器內管側的輸出端、輸出端接入二回路系統的給水管線；還包括隔離閥i、隔離閥ii、隔離閥iii、隔離閥ⅳ、隔離閥
ⅴ
、隔離閥ⅵ和冷凝水駁運泵；隔離閥i設置在通往汽輪機的蒸汽管線上、且位于蒸汽接管接入點的下游；隔離閥ii設置在由冷凝器通往蒸汽發生器的給水管線上、且位于凝水接管
接入點的上游；隔離閥iii和隔離閥ⅳ分別設置在設備冷卻水回路的輸入端和輸出端；隔離閥
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設置在蒸汽接管上，冷凝水駁運泵和隔離閥ⅵ均設置在凝水接管上。
6.本發明實質上是一種基于集中海水冷卻系統的船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統和方法，基本工作原理如下所示：
7.本發明結合集成二回路系統的總體設計特征，在集中海水冷卻系統方案的基礎上，僅需新構建蒸汽發生器二次側與集中換熱器之間的蒸汽冷卻通道。其中，集中換熱器、海水冷卻回路等借助于集中海水冷卻系統。蒸汽發生器二次側能動余熱排出系統的主要新增設備僅包括：蒸汽接管、冷凝水接管、駁運泵、隔離閥、止回閥。
8.在核動力裝置正常運行期間，集中換熱器與蒸汽發生器二次側隔離，集中換熱器承擔二回路系統設備冷卻功能。
9.反應堆停堆后，二回路中需要由集中換熱器提供冷卻才可正常運行的系統設備停止運行，不再需要被冷卻。需首先關閉集中換熱器和二回路系統冷卻用戶組成的設備冷卻水回路并斷開蒸汽發生器與汽輪發電機、冷凝器的連接；其次開啟集中換熱器與蒸汽發生器二次側之間的冷卻通道。堆芯余熱首先通過反應堆冷卻劑系統傳遞至蒸汽發生器二次側，二次側給水吸收熱量后產生的蒸汽輸送至集中換熱器并在其中冷凝，冷凝水經冷凝水駁運泵返回蒸汽發生器二次側，即形成了蒸汽發生器二次側往返集中換熱器的汽-水循環回路；集中換熱器內蒸汽冷凝產生的熱量通過流經殼側的海水冷卻回路導出至海洋熱阱，從而達到導出堆芯余熱和確保反應堆熱工安全的目的。
10.進一步優選，所述凝水接管上還設有調節閥。
11.進一步優選，所述凝水接管上還設有止回閥，且止回閥位于冷凝水駁運泵的下游。
12.進一步優選，所上述二回路系統的主要設備包括蒸汽發生器、汽輪機和冷凝器；蒸汽發生器通過蒸汽管線與汽輪機連接，汽輪機低壓缸末級葉片直接與冷凝器連接，冷凝器通過給水管線與蒸汽發生器連接；所述隔離閥i位于汽輪機上游，隔離閥ii位于冷凝器下游。
13.進一步優選，所述海水冷卻回路還包括海洋熱阱，海洋熱阱的輸出端和輸入端分別通過管線與集中換熱器殼側的輸入端和輸出端連接。
14.進一步優選，所述隔離閥
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下游的蒸汽接管與設備冷卻水回路的輸出端接入第一三通管件的輸入端，第一三通管件的輸出端接至集中換熱器管側的輸入端；集中換熱器管側的輸出端接入第二三通管件的輸入端，設備冷卻水回路的輸入端和隔離閥ⅵ上游的凝水接管與第二三通管件的輸出端連接。
15.一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出方法，針對的余熱排出系統包括二回路系統的一部分蒸汽管線和給水管線、海水冷卻回路、集中換熱器；集中換熱器內，管側內來自蒸汽發生器的蒸汽與殼側內的海水進行熱量交換，從而達到冷卻二回路蒸汽的目的；在反應堆正常運行期間，集中換熱器與設備冷卻水回路通過閥門連通，與蒸汽發生器二次側隔離，集中換熱器承擔二回路系統設備冷卻功能；反應堆停堆后，二回路中需要由集中換熱器提供冷卻才可正常運行的系統設備停止運行，不再需要被冷卻，集中換熱器與設備冷卻水回路通過閥門斷開連接。集中換熱器通過二回路蒸汽管線、凝水管線和閥門構建并開啟起與蒸汽發生器二次側的連接；蒸汽發生器二次側因吸收堆芯產熱而產生的蒸汽通過蒸汽管線和蒸汽接管被輸送至集中換熱器的管側并在其中被冷卻，熱量由流經殼側的海水通過
海水冷卻回路導出至海洋熱阱，從而達到導出堆芯余熱的目的；冷卻后的凝水由凝水駁運泵增壓后經由凝水接管和凝水管線輸送回蒸汽發生器二次側。
16.進一步優選，采用上述的一種船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統實現堆芯余熱導出，包括以下步驟：
17.步驟1：在核動力裝置停堆后，停堆信號觸發隔離閥i、隔離閥ii、隔離閥iii和隔離閥ⅳ關閉；蒸汽發生器與汽輪發電機、冷凝器斷開連接；集中換熱器與設備冷卻水回路斷開連接；步驟2：開啟隔離閥
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和隔離閥ⅵ，投運設置在凝水接管上的凝水駁運泵，構建起蒸汽發生器與集中換熱器之間的回路通道；集中換熱器內，管側內的蒸汽被殼側內的海水冷凝后，由凝水駁運泵輸送回蒸汽發生器二次側；凝水駁運泵運行后持續將集中換熱器中的水輸送至蒸汽發生器，以確保集中換熱器管側內汽空間的建立。
18.進一步優選還包括步驟3：通過調節設置在凝水接管上的調節閥的閥門開度，實現進入集中換熱器管側內的蒸汽流量與返回蒸汽發生器的凝水流量之間處于動態平衡。
19.本發明具有如下的優點和有益效果：
20.本發明針對一回路能動余熱排出系統在安全可靠性方面的不足(即一回路能動余熱排出系統運行時發生余熱排出系統管道破口，從而引發放射性物質釋放)，結合新型集成二回路系統技術特征，在已有的集中海水冷卻系統方案的基礎上，新構建一條基于蒸汽發生器二次側與集中海水冷卻系統的能動余熱排出通道，一方面充分利用設備集成共用(即直接利用已有的集中換熱器、無需新增換熱器)，有利于減少船用核動力裝置體積和重量；另一方面進一步拓展余熱排出系統配置多重性、多樣性，達到了進一步提升船用核動力裝置余熱排出功能安全可靠性的目的。具有如下優勢：
21.1、本發明結合集成二回路系統總體設計特征和集中海水冷卻系統方案，充分利用船用核動力裝置停堆后余熱導出功能與正常運行時二回路設備冷卻功能在時間序列上不重疊的特點，實現可兼顧正常運行工況單相對流換熱和余熱排出工況兩相凝結換熱的集中換熱器方案。因而無需新增換熱器設備，利用同一臺集中換熱器，在核動力裝置正常運行和停堆工況下分別實現設備冷卻功能和余熱排出功能，有利于釋放船用核動力裝置寶貴的艙室空間并降低裝置的重量。
22.2、該余熱排出系統為二回路余熱排出系統，與一回路系統無連接，從而不存在余熱排出系統管道破損時放射性物質釋放的風險。
23.3、對于設有二次側非能動余熱排出系統的船用核動力裝置，本發明還具有如下優勢：
24.1)無需在主蒸汽管線、給水管線上重新引出支管，僅需在已有的二次側非能動余熱排出通道的蒸汽接管、凝水接管上分別增加三通管件，對二回路系統改動較小，因而可減少對正常運行工況下二回路主熱力循環影響。
25.2)二次側能動和非能動余熱排出通道處于并聯狀態，兩者不同時開啟，相互之間無干擾。
附圖說明
26.此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本技術的一部分，并不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：
27.圖1為船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統示意圖
28.附圖中標記及對應的零部件名稱：
29.1-隔離閥i，2-隔離閥ii，3-隔離閥iii，4-隔離閥ⅳ，5-隔離閥
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，6-隔離閥ⅵ，7-調節閥，8-冷凝水駁運泵，9-蒸汽發生器，10-集中換熱器，11-冷凝器，12-汽輪機，13-海洋熱阱，14-二回路系統各冷卻部套，15-設備冷卻水回路，16-海水冷卻回路。
具體實施方式
30.為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖1，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發明，并不作為對本發明的限定。
31.實施例1
32.本實施例提供了一種船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統，如圖1所示，包括二回路系統的蒸汽管線和給水管線、蒸汽接管和凝水接管、集中換熱器10、設備冷卻水回路15和海水冷卻回路16，蒸汽接管和凝水接管分別與集中換熱器管側的進口與出口相連接，海水冷卻回路的出口與入口分別與集中換熱器殼側的入口和出口相連接；集中換熱器10在核動力裝置正常運行期間用于承擔二回路設備冷卻功能，在核動力裝置停堆時承擔余熱導出功能。
33.其中，二回路系統的主要設備包括蒸汽發生器9、汽輪機12和冷凝器11；蒸汽發生器9通過蒸汽管線與汽輪機12連接，在汽輪機12內做功后成為乏汽的蒸汽由汽輪機低壓缸末級葉片進入冷凝器11，冷凝器11通過給水管線與蒸汽發生器9連接；海水冷卻回路16還包括海洋熱阱13，海洋熱阱13的輸出端和輸入端分別通過管線與集中換熱器10殼側的輸入端和輸出端連接。
34.蒸汽接管的輸入端接入二回路系統的蒸汽管線上、輸出端接入集中換熱器10管側的輸入端，凝水接管的輸入端接入集中換熱器10管側的輸出端、輸出端接入二回路系統的給水管線。
35.還包括隔離閥i1、隔離閥ii2、隔離閥iii3、隔離閥ⅳ4、隔離閥
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5、隔離閥ⅵ6、調節閥7、冷凝水駁運泵8和止回閥；隔離閥i1設置在通往汽輪機12的蒸汽管線上，且位于蒸汽接管接入點的下游、汽輪機12的上游；隔離閥ii2設置在由冷凝器11通往蒸汽發生器9的給水管線上，且位于凝水接管接入點的上游、冷凝器11的下游。隔離閥iii3和隔離閥ⅳ4分別設置在設備冷卻水回路15的輸入端和輸出端；隔離閥
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5設置在蒸汽接管上；按照流體流動方向，隔離閥ⅵ6、調節閥7和冷凝水駁運泵8依次設置在凝水接管上。凝水接管上還設有止回閥，且止回閥位于凝水接管接入點的下游。
36.作為優選方案，隔離閥
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5下游的蒸汽接管與設備冷卻水回路15的輸出端接入第一三通管件的輸入端，第一三通管件的輸出端接至集中換熱器管側的輸入端；集中換熱器管側的輸出端接入第二三通管件的輸入端，設備冷卻水回路15的輸入端和隔離閥ⅵ6上游的凝水接管與第二三通管件的輸出端連接。
37.本發明的隔離閥i1、隔離閥ii2、隔離閥iii3、隔離閥ⅳ4、隔離閥
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5合隔離閥ⅵ6均采用電磁隔離閥。隔離閥i1、隔離閥ii2、隔離閥iii3和隔離閥ⅳ4：反應堆正常運行時保持通電常開的狀態，反應堆停堆并汽機停機后因可靠電喪失閥門自動關閉。隔離閥
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5和隔
離閥ⅵ6：反應堆正常運行時保持通電常關的狀態，反應堆停堆并汽機停機后因可靠電喪失閥門自動打開。
38.本發明集中換熱器10是實現二次側能動余熱排出功能的關鍵設備。核動力裝置正常運行工況，集中換熱器10承擔二回路設備冷卻功能，待冷卻工質為單相淡水；余熱排出工況，集中換熱器10承擔蒸汽發生器二次側蒸汽冷凝功能，待冷卻介質為高溫蒸汽。集中換熱器10在承擔二回路設備冷卻功能和余熱排出功能時，工作溫度差異顯著，易導致換熱器產生熱應力和熱變形。針對這些問題，集中換熱器的換熱管采用的換熱管，需使其一端不加剛性約束而具有自由膨脹的伸縮余地，避免當殼程與管程熱變形不一致時產生熱應力。
39.本發明調節閥7，根據流入集中換熱器的蒸汽流量自動調節該閥門的開度，以確保流入集中換熱器的蒸汽流量和流出集中換熱器的凝水流量保持動態平衡，從而達到維持集中換熱器水位維持穩定的目的。
40.實施例2
41.本實施例提供了一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統及方法，采用實施例1提供的船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統實現，具體實現步驟如下所示：
42.步驟1：核動力裝置停堆后，停堆信號觸發以下閥門關閉：通往汽輪機12的蒸汽管線上的隔離閥i1、由冷凝器11通往蒸汽發生器9的給水管線上的隔離閥ii2以及設備冷卻水回路15上的隔離閥iii3和隔離閥ⅳ4。
43.步驟2：集中換熱器10入口蒸汽接管上的隔離閥
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5、凝水接管上的隔離閥ⅵ6以及凝水駁運泵8接到啟動指令后分別開啟和運行。由于反應堆正常運行工況時，集中換熱器承擔二回路系統設備冷卻功能，工作介質為單相淡水，因而集中換熱器10的管側充滿了單相淡水。凝水駁運泵8運行后以恒定流量將集中換熱器10管側的水輸送至蒸汽發生器9，以確保集中換熱器10內管側汽空間的建立。
44.步驟3：經過初步計算得知，集中換熱器10的實際換熱面積遠高于余熱排出工況時蒸汽冷凝所需的換熱面積。為了防止蒸汽在集中換熱器10的管側的冷凝速率過快而導致一回路系統降溫速度過快，集中換熱器10的管側需維持一定的凝水液位以減少蒸汽與換熱管管束接觸面積，即控制實際換熱面積不至過大。然而，當執行余熱排出功能時，由于堆芯余熱水平隨著時間而降低，集中換熱器10中蒸汽冷凝負荷也隨著時間的增加而下降，為確保進入集中換熱器10的蒸汽冷凝流量與返回蒸汽發生器9的凝水流量之間處于動態平衡，可在凝水接管上設置一調節閥7。根據流入集中換熱器10的蒸汽流量自動調節該閥門的開度，以確保流入集中換熱器10的蒸汽流量和流出集中換熱器10的凝水流量保持動態平衡，從而達到維持集中換熱器10液位穩定的目的。
45.以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
技術特征：
1.一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統，包括二回路系統的一部分蒸汽管線和給水管線、海水冷卻回路、集中換熱器；核動力裝置正常運行時，集中換熱器內的管側用于流動淡水；和/或核動力裝置停堆時，集中換熱器內的管側用于蒸汽/冷凝水；集中換熱器內的殼側流動著冷卻管側介質的海水。集中換熱器在反應堆停堆后用于承擔二回路蒸汽冷卻功能，其特征在于，還包括蒸汽接管和凝水接管，蒸汽接管的輸入端接入二回路系統的蒸汽管線、輸出端接入集中換熱器管側的輸入端，所述凝水接管的輸入端接入集中換熱器管側的輸出端、輸出端接入二回路系統的給水管線；還包括隔離閥i、隔離閥ii、隔離閥iii、隔離閥ⅳ、隔離閥
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、隔離閥ⅵ和冷凝水駁運泵；隔離閥i設置在通往汽輪機的蒸汽管線上、且位于蒸汽接管接入點的下游；隔離閥ii設置在由冷凝器通往蒸汽發生器的給水管線上、且位于凝水接管接入點的上游；隔離閥iii和隔離閥ⅳ分別設置在設備冷卻水回路的輸入端和輸出端；隔離閥
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設置在蒸汽接管上，冷凝水駁運泵和隔離閥ⅵ均設置在凝水接管上。2.根據權利要求1所述的一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統，其特征在于，所述凝水接管上還設有調節閥。3.根據權利要求1所述的一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統，其特征在于，所述凝水接管上還設有止回閥，且止回閥位于冷凝水駁運泵的下游。4.根據權利要求1所述的一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統，其特征在于，所述集中換熱器的換熱管采用u形管換熱管。5.根據權利要求1所述的一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統，其特征在于，所上述二回路系統的主要設備包括蒸汽發生器、汽輪機和冷凝器；蒸汽發生器通過蒸汽管線與汽輪機連接，在汽輪機內做功后成為乏汽的蒸汽由汽輪機低壓缸末級葉片進入冷凝器，冷凝器通過給水管線與蒸汽發生器連接；所述隔離閥i位于汽輪機上游，隔離閥ii位于冷凝器下游。6.根據權利要求1所述的一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統，其特征在于，所述海水冷卻回路還包括海洋熱阱，海洋熱阱的輸出端和輸入端分別通過管線與集中換熱器殼側的輸入端和輸出端連接。7.根據權利要求1所述的一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出系統，其特征在于，所述隔離閥
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下游的蒸汽接管與設備冷卻水回路的輸出端接入第一三通管件的輸入端，第一三通管件的輸出端接至集中換熱器管側的輸入端；集中換熱器管側的輸出端接入第二三通管件的輸入端，設備冷卻水回路的輸入端和隔離閥ⅵ上游的凝水接管與第二三通管件的輸出端連接。8.一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出方法，其特征在于，針對的余熱排出系統包括二回路一部分蒸汽和給水管道、集中換熱器和海水冷卻回路；在反應堆正常運行期間，集中換熱器與設備冷卻水回路通過閥門連通，與蒸汽發生器二次側隔離；集中換熱器承擔二回路系統設備冷卻功能，反應堆停堆后，二回路中需要由集中換熱器提供冷卻才可正常運行的系統設備停止運行，不再需要被冷卻，集中換熱器和設備冷卻水回路通過閥門斷開連接；集中換熱器通過二回路蒸汽管線、凝水管線和閥門構建并開啟起與蒸汽發生器二次側的連接；蒸汽發生器二
次側因吸收堆芯產熱而產生的蒸汽通過蒸汽管線和蒸汽接管被輸送至集中換熱器并在其中被冷卻，熱量經海水冷卻回路導出至海洋熱阱，從而達到導出堆芯余熱的目的；冷卻后的凝水由凝水駁運泵增壓后經由凝水接管和凝水管線輸送回蒸汽發生器二次側。9.根據權利要求8所述的一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出方法，其特征在于，采用權利要求1至7任一項所述的一種船用核動力裝置二回路能動余熱排出系統實現，包括以下步驟：步驟1：在核動力裝置停堆后，停堆信號觸發隔離閥i、隔離閥ii、隔離閥iii和隔離閥ⅳ關閉；蒸汽發生器與汽輪發電機、冷凝器的連接斷開；集中換熱器與設備冷卻水回路斷開；步驟2：開啟隔離閥
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和隔離閥ⅵ，投運設置在凝水接管上的凝水駁運泵，以達到連通集中換熱器與蒸汽發生器二次側之間的汽-水循環回路和建立蒸汽發生器二次側與集中換熱器之間的余熱排出通道的目的；凝水駁運泵運行后持續將集中換熱器中的冷凝水輸送至蒸汽發生器二次側，以確保集中換熱器管側內汽空間的建立。10.根據權利要求9所述的一種基于集中海水冷卻的二回路余熱排出方法，其特征在于，還包括步驟3：通過調節設置在凝水接管上的調節閥的閥門開度，實現進入集中換熱器的蒸汽流量與返回蒸汽發生器的凝水流量之間處于動態平衡。
技術總結
本發明公開了一種基于集中海水冷卻的船用核動力裝置二回路余熱排出系統及方法，作為一個可在反應堆正常以及事故停堆工況下自動投運并有效導出堆芯余熱的安全系統，具有換熱效率高，對現有設備改動少以及對空間要求小等優點。基于新型集成二回路系統技術特征，新構建一條基于蒸汽發生器二次側與集中海水冷卻系統的能動余熱排出通道，可進一步拓展余熱排出系統配置多重性、多樣性，達到了進一步提升船用核動力裝置余熱排出功能安全可靠性的目的。的。的。
